KR20170067414A - 은-주석-인듐 산화물계 전기접점 소재의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기접점 소재 - Google Patents

은-주석-인듐 산화물계 전기접점 소재의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기접점 소재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점재료의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기접점 소재에 관한 것으로, 내소모성 및 접점 수명이 향상된 전기접점재료의 제조방법을 제공한다.

Description

은-주석-인듐 산화물계 전기접점 소재의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기접점 소재{MANUFACTURING METHOD OF Ag-Sn-In OXOIDE BASED ELECTRICAL CONTACT MATERIAL AND ELECTRICAL CONTACT MATERIAL THEREFROM}
본 발명은 전기차단기, 개폐기, 릴레이 및 스위치 기구 등의 전기접점 재료에 도펀트(Dopant)로 첨가되는 성분과 이의 함량 조절을 통해 특정 산화물의 함량을 극대화하여 재료비 절감 및 수명 성능 향상을 도모할 수 있는 전기접점 소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기접점 소재는 배선용 차단기, 개폐기, 스위치 등의 전기기구나 전기설비 등에서 사용되며, 회로의 개폐 또는 접촉을 기계적으로 작동하는 전기접촉 소자이다. 이러한 전기접점 재료는 전기회로를 기계적으로 접속하는 접점에 전기회로의 개폐시 발생되는 아크(arc)로 인한 고압, 고열의 환경 하에서 이상소모, 용착, 교락 등의 사고가 발생되는 것을 방지할 필요가 있다. 이에 따라 상기 전기접점 재료는 접촉 저항이 적고, 녹는점 및 승화점이 높으며, 내마모성과 관련된 경도가 높고, 전기적 수명이 우수한 재료를 선택하여 사용하게 된다.
상기 전기접점의 소재로는 주로 은(Ag)을 사용하는데, 은(Ag)은 쉽게 산화되지 않고 전기전도도가 우수하기 때문에 고성능 전기접점의 주재료로서 사용된다. 그러나 은(Ag)만으로 구성된 전기접점은 용해온도가 낮아 전기접점의 개폐시 발생하는 약간의 아크(Arc)에 의한 열에 의해 용해되어 그 형태가 파손되거나 또는 특성이 저하될 수 있다. 상기 전기접점 소재는 도펀트(dopant)의 함량에 따라 내소모성, 접촉저항 안정화, 산화물 및 결정립 미세화, 경도 균일화 등 재질의 물성 특성을 향상시킬 수 있으므로, 이러한 특성을 개선하고자 도펀트(dopant)로서 금속산화물을 사용한다.
한편 도펀트(dopant)로 사용되는 금속산화물은 접점의 개폐시 아크(Arc)에 의한 순간적인 고열에 의해 분해되어 승화되고, 전기접점 표면의 온도를 하강시켜주는 역할도 한다. 기존에 가장 보편적으로 사용되는 도펀트(Dopant)는 산화카드뮴(CdO)이었으나, 카드뮴이 환경 및 인체에 유해한 물질로 지정된 후로 사용이 제한되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 카드뮴(Cd) 대신 다른 산화물 합금을 이용하여 전기접점을 사용하기 위한 기술이 개발 중이나, 업계에서 원하는 기계적, 전기적 특성을 발휘하기에는 한계가 있다.
한편 본 발명은 스위치, 릴레이, 차단기, 개폐기 등에 사용되는 전기접점의 수명 시험 특성을 평가할 때 발생하는 불량을 해결하고자 한다. 이러한 전기접점의 신뢰성 평가시 가장 중요한 항목은 가속수명시험의 신뢰성(Life time, 횟수)이다. 고객사와 조건에 따라 일부 상이하기는 하나, 릴레이나 차단기, 개폐기의 개폐횟수가 최소 10만회 이상의 수명을 견디는 것을 통상적인 기준으로 한다. 상기 전기접점의 불량 원인으로는 접점 용착, 접점의 단락 등으로 유추할 수 있는데, 이러한 불량은 차단기, 개폐기 등에 지대한 영향을 미친다. 전술한 전기접점 소재의 용착과 단락 발생을 방지하는 가장 좋은 방법은 상대적으로 용해온도와 경도가 높은 금속산화물을 전기접점 소재 내 고르게 분포시켜 이러한 산화물 특성에 의해 전기접점 소재의 파손을 방지하는 것이다. 그러나 전술한 금속산화물이 특정 분율 이상으로 포함될 경우 소재 내부에서 산화물 응집이 발생하여 전기접점으로서의 특성을 급격히 저하시키거나 또는 전기접점 소재의 가공성을 낮춰 파손을 쉽게 발생시킬 수 있다.
이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전기접점 소재를 구성하는 도펀트(dopant)의 성분 및 이의 첨가량을 특정 범위로 조절함으로써, 내부산화를 통해 형성되는 산화물의 함량을 최적의 수준까지 극대화하여 전기접점 소재의 물리적, 기계적 특성을 향상시켜 수명횟수를 유의적으로 증대시킬 수 있는 은-산화물계 전기접점 소재의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기접점 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 은, 주석 및 인듐을 포함하는 금속 소재를 용융 주조하는 단계; (b) 상기 용융 주조된 금속 소재를 빌렛으로 가공하는 단계; (c) 상기 빌렛을 압출 및 절단하여 소정 규격의 칩(chip)으로 가공하는 단계; (d) 상기 칩을 내부산화하는 단계; (e) 상기 내부산화된 칩을 고온 가압성형 및 압출하여 와이어를 제조하는 단계; 및 (f) 상기 와이어를 인발 및 가공 성형하는 단계를 포함하는 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 은-주석-인듐 산화물계 전기접점 소재로서, 은(Ag) 매트릭스; 및 상기 은 매트릭스 내에 분산되는 주석산화물 및 인듐 금속산화물을 포함하되, 상기 은 매트릭스 내에 분산되는 주석산화물 및 인듐산화물의 함량은 당해 전기접점 재료 100 중량%를 기준으로 13 내지 16 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐 산화물계 전기접점 소재를 제공한다.
본 발명에서는 전기접점 소재를 구성하는 도펀트(dopant)의 성분 및 이의 첨가량을 특정 범위로 조절함으로써, 기존 원재료가 은(Ag)인 전기접점에서 도펀트(Dopant)로 사용하는 산화물의 함량을 유의적으로 높일 수 있다. 이에 따라, 기존 동일 규격을 갖는 전기접점에 비해 은(Ag)의 함량이 5~8% 정도 감소되는 효과를 얻게 된다.
또한 본 발명에서는 도펀트(Dopant) 함량을 조절하여 접점을 제조함으로써, 전기접점의 표면에 생성하는 Ag-rich층과 반대로 바로 내부 조직에 발생하는 10㎛ 이상의 조대한 산화물 응집층의 발생을 억제할 수 있다. 아울러, 전기접점 소재의 내부조직의 심층까지 첨가원소의 복합 산화물을 균일하고 미세하게 석출 분산시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기접점 소재의 제조 방법이다.
도 2는 실시예 1에 따라 균일하게 내부산화된 전기접점 소재의 현미경 단면 사진이다.
도 3은 비교예 1에 따라 내부산화 후 접점소재의 최외곽을 따라 산화물 응집 현상이 발생된 전기접점 소재의 현미경 단면 사진이다.
도 4는 실시예 1의 전기접점 소재를 이용하여 내구성 시험을 실시한 후 전기접점의 소모량 분석 결과를 나타내는 사진이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 전기접점 소재, 바람직하게는 리벳 접점 소재의 물리적 및 기계적 특성을 향상시켜 수명 횟수를 유의적으로 증대시키고자 한다. 리벳 접점 소재에서 제일 중요한 평가시험 항목은 수명(내구성)이다.
이를 위해, 본 발명은 전기접점 소재에 포함되는 도펀트(dopant)의 성분과 이의 함량을 조절하여 이후 내부산화를 통해 형성되는 금속산화물의 함량을 최적의 수준까지 극대화한다. 여기서, 특정 금속산화물은 전기접점 소재의 가공성과 접촉저항, 열적 특성의 개선을 통해 수명 증대를 목적으로 첨가한다.
보다 구체적으로, 은(Ag) 전기접점 소재 내에서 주석산화물(SnO2)은 11 중량%을 초과하여 함유될 경우 산화물 함량 증대에 따른 산화물 응집현상(External Scale)이 형성되며, In2O3의 경우 In 함량이 8 중량%을 초과하여 함유될 경우 External Scale이 형성된다. 특히, Ag-Sn-In 합금에서 Sn과 In은 산화 친화도가 상대적으로 높아 산소를 끌어들여 산화물 응집을 형성하기 쉽다. 이에 따라 SnO2와 In2O3가 동시에 포함되어 있을 경우, 이들의 전체 합이 13.5 중량% 이상인 경우(예, SnO2 9 중량% 이상이고, In2O3 4.5 중량% 이상), 소재 내부에서 산화물 응집이 발생하여 전기접점으로서의 특성을 급격히 저하시키거나 또는 전기접점 소재의 가공성을 낮춰 파손을 쉽게 발생할 수 있다.
그러나 본 발명에서는 은-주석-인듐 산화물계, 즉 Ag-SnO2-In2O3로 구성된 전기접점 소재에 포함되는 산화물의 함량 비율을 각각 특정 범위로 조절한다. 이와 같이 특정 비율로 조절하여 합금화하는 경우, Sn, In 원소는 산소와 결합하여 SnO2, In2O3 의 임계 핵성성 크기가 되어 용질 확산에 의한 산화물 응집 현상을 방지할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에서는 기존 접점 소재에 특정 도펀트 첨가에 의해 산화물 함량을 증가시키므로, 전기적, 기계적 특성을 증대시켜 전기 접점의 내소모성과 수명 시험 횟수를 유의적으로 향상시킬 수 있다. 그리고 상대적으로 고가의 금속인 은(Ag)을 줄일 수 있어 원가절감 효과가 도모될 수 있다.
또한, 전기접점재료 내 금속 산화물의 크기를 미세하게 조절할 수 있어 소재의 강도를 향상시킬 수 있으며, 도펀트로 첨가되는 원소가 균일하게 분포되어 금속 산화물을 균일하게 분산시킬 수 있으므로 전기접점 소재의 우수한 분산성과 가공성을 확보할 수 있다.
<Ag-Sn-In 산화물계 전기접점 소재의 제조방법>
이하, 본 발명에 따른 전기접점 소재의 제조방법에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 또는 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.
상기 Ag-Sn-In 산화물계 전기접점 소재의 제조방법의 바람직한 일 실시예를 들면, (a) 은, 주석 및 인듐을 포함하는 금속 소재를 용융 주조하는 단계('S10 단계'); (b) 상기 용융 주조된 금속 소재를 빌렛으로 가공하는 단계('S20 단계'); (c) 상기 빌렛을 압출 및 절단하여 소정 규격의 칩(chip)으로 가공하는 단계('S30 단계'); (d) 상기 칩을 내부산화하는 단계('S40 단계'); (e) 상기 내부산화된 칩을 가압성형 및 압출하여 와이어를 제조하는 단계('S50 단계'); 및 (f) 상기 와이어를 인발 및 가공 성형하는 단계('S60 단계')를 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 상기 제조방법을 각 단계별로 나누어 설명하면 다음과 같다.
(1) 주조 (S10 단계)
상기 S10 단계에서는, 은(Ag), 주석(Sn), (In) 등의 금속 원자재를 용탕에 넣고 용해하여 주조한다.
본 발명에서, 은(Ag)의 함량은 특별히 한정되지 않으며, 상기 전기접점 소재의 전체 중량이 100 중량%가 되도록 하는 잔량일 수 있다.
또한 주석(Sn)은 하기 S40 단계에서 금속 산화물로 전환되어 전기접점 재료의 내용착성을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 주석(Sn)의 함량은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 6.6 내지 11 중량% 범위이며, 바람직하게는 6.6 내지 9 중량% 범위이다. 상기 주석(Sn)의 함량이 전술한 범위를 벗어날 경우에는 내용착성, 내소모성을 얻기 어렵고, 전기접점 소재의 접촉저항이 상승되어 가공성이 저하될 수 있다.
또한 인듐(In)은 주석(Sn)의 산화를 촉진하고, 동시에 산화물이 되어 전기접점재료의 내용착성 및 내소모성을 높이는 역할을 한다. 이러한 인듐(In)의 함량은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 3.5 내지 8 중량% 범위이며, 바람직하게는 3.5 내지 6.6 중량% 범위다. 상기 인듐(In)의 함량이 전술한 범위를 벗어나는 경우 기대되는 내용착성 및 내소모성을 얻기 어렵고, 전기접점의 내용착성이 저하될 수 있다.
상기 S10 단계의 바람직한 일례를 들면, 은(Ag)을 주성분으로 하고, 여기에 주석(Sn), 인듐(In)을 포함하되, 이러한 용해투입 단계의 전술한 금속의 함량이 10 내지 14 중량% 범위가 되도록 조성을 설계하여 금속을 용해 주조한다.
이때 용해주조된 합금의 조성은 주석(Sn) 6.6~11 중량%, 인듐(In) 3.5~8 중량% 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 은(Ag)을 포함하도록 한다. 이때 전체 100 중량%를 기준으로 하여, 전술한 성분을 제외한 잔량은 은(Ag)의 함량으로서, 일례로 80 내지 90 중량% 범위일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전기접점 소재는 Ni, Te, Bi 및 C로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 도펀트 성분을 추가로 포함할 수 있다.
이때 상기 1종 이상의 도펀트 성분은 은(Ag)에 고용되어 다른 금속 산화물 및 은(Ag) 입자를 미세화시키고, 전기접점 재료의 내용착성 및 기계적 강도의 특성을 향상시키는 역할을 하며, 형성된 합금의 구조를 조절한다. 이러한 1종 이상의 금속 함량은 특별히 한정되지 않으며, 일례로, 용해주조된 합금의 총 중량을 기준으로 0.001 내지 1 중량% 범위인 것이 바람직하다. 상기 1종 이상의 도펀트 함량이 전술한 함량 범위를 만족시킬 경우 원하는 전기접점 재료의 내용착성, 가공성 및 기계적 강도의 특성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
상기 용해 온도는 금속 소재가 용융될 수 있는 온도라면 특별히 제한되지 않으며, 일례로 대략 1100~1200℃ 범위에서 약 1 내지 3시간 정도 유지하면서 교반을 진행하는 것이 바람직하다.
(2) 빌렛 가공단계 (S20 단계)
상기 S20 단계는 이전 S10 단계에서 제조된 용탕을 연속주조 방식에 의해 50Φ의 원통형 빌렛(billet)을 제조한다.
이후 제조된 빌렛을 필요한 부분만큼 절단하고, 절단된 빌렛의 표면 이물질을 제거한다. 이때 표면 이물질 제거공정은 당 분야에 알려진 통상적인 방법을 실시할 수 있으며, 일례로 면삭을 실시하여 이물질을 제거한다.
(3) 칩(chip) 제조 (S30 단계)
상기 S30 단계에서는 이후 S40 단계를 통해 합금 원소를 쉽게 내부 산화시킬 수 있도록 하기 위해서, 원통형 빌렛을 소정의 크기로 가공한다.
이때 빌렛은 당 분야에 알려진 통상적인 압출과 절단을 통해 작고 균일한 칩(chip)으로 가공한다. 칩(Chip)의 규격은 동일한 형태와 크기로 제조해야 후공정에서 균일한 품질의 전기접점 소재를 얻을 수 있다. 일례로, 상기 칩의 크기는 당 분야에 알려진 통상적인 범위 내에서 적절히 조절할 수 있으며, 일례로 크기가 10㎣ 이하일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 10㎣ 범위일 수 있다.
(4) 내부산화 (S40 단계)
상기 S40 단계에서는, 가공된 원소재를 고온의 산소 분위기에서 가압하여 내부산화시킨다. 이를 통해 절단된 칩 내부에 산화물이 균일하게 형성된다.
본 발명에서, 산화단계는 산소 분위기 하에서 가열을 통해 산소가 금속 내부로 침입하여 고용되게 하는 목적이 있다. 상기 산화공정을 통해 칩 내부로 확산되어 들어간 산소는, 합금 내의 고용된 주석(Sn) 원자와 반응하여 산화주석(SnO2) 입자를 형성한다. 또한 합금 내부로 확산되어 들어간 산소는 합금 내의 고용된 인듐(In)과 반응하여 산화인듐 입자를 형성하며, 그 외 도펀트와 반응하여 산화물을 형성하게 된다. 이와 같이 내부산화된 금속소재는 산화물이 형성되어, 내부산화 전 금속 소재보다 전기접점 소재로서 전기적, 기계적 수명이 향상된 소재가 된다.
전술한 내부산화 공정, 즉 전산화(前酸化) 공정을 통해 형성되는 산화물의 총 함량은 당해 전기접점 소재 중량 대비 13 내지 16 중량% 조절되는 것이 바람직하다.
이때, S40 단계에서 내부산화 공정의 조건은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 650 내지 800℃의 전기로에서, 2~10kg/cm2의 산소를 가압한 상태로 15~100시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. 상기 조건을 벗어나는 경우 합금 원소의 산화가 충분히 이루어지지 않을 수 있으며, 또는 합금원소의 조대화에 의해 분산 효과가 저하될 수 있다.
필요에 따라, 본 발명에서는 내부산화 공정을 거치기 전에, 산 처리와 바렐 공정을 실시하여 칩(Chip) 표면의 이물질을 제거하는 것이 바람직하다.
(5) 와이어 제조 (S50 단계)
상기 S50 단계에서는, 내부산화된 원소재를 가압 성형한 후 압출하여 균일한 크기의 와이어를 제조한다.
이때 가압 성형은 원소재인 칩들을 금형에 넣어 압축하여 빌렛으로 성형하는 공정을 말한다. 이러한 성형법은 당 분야에 알려진 통상적인 성형법을 제한 없이 적용할 수 있으며, 일례로 프레스, 핫프레스(Hot Press, HP), 냉간 등방압 가압법 (Cold Isostatic Pressing, CIP) 등이 있다.
일반적으로 핫프레스(HP)법으로 가압성형하는 S50 단계의 바람직한 일례를 들면, 내부산화된 칩을 400 내지 650℃ 온도에서 2 내지 10분 동안 5 내지 50 MPa의 압력으로 가압하여 실시하는 것일 수 있다. 전술한 다른 가압성형법 역시 상기 HP 가압성형 조건과 동일하게 실시할 수 있다.
이후 고온 가압 성형된 전기접점 소재를 열처리를 통해 풀림처리를 하며, 압출 등의 가공을 통해 균일한 크기의 와이어를 제조할 수 있다.
이때 열처리 조건은 당 분야에 알려진 통상적인 범위 내에서 적절히 실시할 수 있으며, 일례로 500~900℃의 온도로 가열된 상태에서 압출할 수 있다.
상기 열처리 후 압출 공정은 당 분야에 알려진 통상적인 압출공정을 실시할 수 있으며, 일례로 열간공정일 수 있다.
본 발명에서, 상기 열간가공의 온도 및 시간은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 600 내지 1000℃ 범위의 온도, 1 내지 5시간 동안 10 내지 50MPa 압력 하에서 열간압출을 실시하여 제조하는 것이 바람직하다. 전술한 조건을 벗어나는 경우 고밀도의 빌렛을 얻을 수 없으며, 산화물의 조대화로 인해 내용착성 및 내소모성의 향상이 저하될 가능성이 높다. 또한 압력이 50MPa를 초과할 경우에는 적용 몰드 및 장비의 위험을 초래할 수 있다.
필요에 따라, 본 발명에서는 고온가압성형 공정을 거치기 전에, 산 처리와 바렐 공정을 실시하여 내부산화된 전기접점 소재의 표면 이물질을 제거하는 것이 바람직하다.
(6) 인발 및 가공성형 공정 수행 (S60 단계)
상기 S60 단계에서는 제조된 와이어를 인발, 및 가공성형 공정 등을 수행하여 원하는 형태의 전기접점을 제조한다.
상기 S60 단계에서, 인발 공정은 제조된 와이어를 이용하여 각 Pass별 열처리를 통해 풀림처리(annealing)를 한다. 이때 열처리는 500 내지 800℃ 범위의 온도에서 30분 내지 5시간 동안 열처리하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 내지 2시간일 수 있다. 상기 열처리 온도가 전술한 범위를 벗어나는 경우 미세조직의 재결정이 억제될 수 있으며, 결정립 및 산화물이 조대화되어 가공성이 저하될 수 있다.
전술한 열처리 후, 인발 및 바렐공정 등을 실시하게 되는데, 이때 인발 공정은 다이(Die)에 열처리한 와이어를 통과시켜 기계력에 의해 잡아당겨 단면적을 줄이고, 길이 방향으로 늘리는 공정이다. 이러한 인발공정은 열간인발과 냉간일반 등이 있는데, 이들을 각각 단독으로 실시하거나 또는 모두 실시할 수 있다. 이때 인발된 와이어의 규격은 당 분야에 알려진 통상적인 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다.
이후 인발된 와이어는 당 업계에 알려진 가공성형 공정, 예컨대 헤딩, 바렐, 및 검사 공정을 통해 전기접점 재료의 제조가 완료된다.
일례로, 인발된 와이어를 가지고 금형에 냉간 압축하여 원하는 형태로 제조하는 것일 수 있다. 이때, 바렐 공정은 인발된 와이어를 전기접점 소재로 가공한 후 연마석 가루와 계면활성제를 이용하여 표면을 바렐하여 버(burr)와 이물질을 제거하는 것일 수 있다.
<은-주석-인듐 산화물계 전기접점 소재>
한편, 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조되는 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재를 제공한다.
보다 구체적으로, 상기 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재의 조성은 주석(Sn) 6.6~11 중량%, 인듐(In) 3.5~8 중량%, 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 은(Ag)을 포함하는 용해주조된 합금이 내부산화하여 형성된 산화물을 함유하는 것이 바람직하다. 이때 은(Ag)의 함량은 80~90 중량%일 수 있으며, 그 외 불가피한 불순물이 일부 포함될 수 있는데, 불순물의 총합은 내부산화 전 합금 조성의 총 중량%를 기준으로 0.5 중량% 미만으로 조절하는 것이 바람직하다.
상기 내부산화는, 산화방식에 따라 제품의 형태로 가공을 한 후 내부산화를 시키는 것을 후(後)산화, 내부산화를 시킨 후 제품 형태로 가공하는 것을 전(前)산화라고 통칭한다. 본 발명에서는 전(前)산화 방식이 바람직하다. 본 발명에 따른 전기접점 소재에서, 은(Ag)을 제외한 산화물은 은(Ag)보다 승화점이 낮으며, 승화열에 의해 접점표면부의 온도를 낮춤으로써 은의 소모를 방지하여 접점 수명을 늘이는 역할을 한다.
본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 은-산화물계 전기접점재료는 은(Ag) 매트릭스; 및 상기 은 매트릭스 내에 균일하게 분산된 금속 산화물을 포함한다. 이러한 금속 산화물은 주석 산화물과 인듐 산화물을 포함하며, 추가로 니켈 산화물, 텔루륨 산화물, 및 비스무스 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상기 은 매트릭스 내에 분산되는 주석산화물 및 인듐산화물의 함량은 당해 전기접점 재료 100 중량%를 기준으로 13 내지 16 중량% 범위일 수 있다. 상기와 같이 산화물 함량이 증가할 경우, 전기 접점의 장수명 효과 및 원가절감 효과가 도모될 수 있다.
또한 상기 은(Ag) 매트릭스 내에 균일하게 분산되는 상기 주석산화물, 인듐 산화물을 포함하는 금속산화물의 평균 입경(크기)는 0.5 내지 2㎛ 범위일 수 있다.
본 발명에 따른 은-주석-인듐 산화물계 전기접점 재료는 카드뮴(Cd)을 함유하지 않기 때문에 인체나 환경에 무해하며, 미세한 크기의 금속산화물이 Ag 매트릭스 내에 균일하게 분산되어 있어 내용착성, 내소모성 및 접점 수명이 우수하다.
특히, 본 발명에서는 도펀트에 의해 증가된 산화물 함량에 의해 전기적, 기계적 특성을 증대시켜 수명 시험 횟수를 유의적으로 증가시킬 수 있다(표 1 참조).
본 발명의 전기 접점은 전기차단기, 개폐기, 릴레이, 스위치 등의 접점 재료로 사용될 수 있으며, 그 중에서도 개폐기에 유용하게 사용될 수 있다. 그 외 전기 접점 소재가 유용하게 적용될 수 있는 다른 기술분야에도 제한 없이 적용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 한 형태를 예시하는 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
Ag 87.2 중량%와 Sn 8.4 중량%, In 4.4 중량%의 순금속을 용해하였다. 용해 온도는 약 1000~1200℃ 사이로 유지하였으며, 약 1.5시간 동안 실시하여 충분히 교반을 진행하였다.
상기와 같이 제조된 용탕을 연속주조 방식으로 50Φ의 원통형 빌렛을 제조하고, 필요한 부분만큼 절단하였다. 절단된 빌렛의 표면의 이물질은 면삭을 실시하여 제거하였다.
상기 빌렛은 압출과 절단을 통하여 10㎣ 이하의 작고 균일한 칩(Chip)으로 가공하였다.
칩(Chip)의 표면 이물질을 산 처리와 바렐을 통하여 제거한 후, 내부산화를 실시하였다. 약 750℃의 전기로에 5kg/cm2 의 산소를 가압하고 60시간 유지하여 전기접점 소재를 내부산화 시켰다. 내부 산화된 전기접점 소재의 단면을 절단하고 표면을 연마하여 현미경으로 관찰하여 모두 산화됨을 확인하였다(도 2 참조).
이후 내부산화된 전기접점 소재 표면의 이물질을 산 처리와 바렐을 통하여 제거한 후 고온 가압 성형한 후 700℃로 가열한 상태에서 압출하여 와이어(Wire) 형태의 제품을 제조하고, 1.8Φ 직경으로 인발하였다.
인발된 와이어를 전기접점 소재로 가공하여 제조하였다. 이후 제조된 전기접점 소재의 특성과 성능을 비교하였다.
상기 내부산화된 접점 소재의 사진을 도 2에 나타내었다.
도 2을 참조하여 보면, 상기 전기접점 재료 내부에 금속 산화물이 은(Ag) 매트릭스(matrix) 또는 결정립계를 따라 균일하게 분산되어 형성되어 있음을 알 수 있었다.
[비교예 1]
Ag 87.2 중량%와 Sn 11.4 중량%, In 1.4 중량%의 순금속을 용해하였다. 용해 온도는 약 1000~1200℃ 사이로 유지하였으며, 약 1.5시간 동안 실시하여 충분히 교반을 진행하였다.
상기와 같이 제조된 용탕을 연속주조 방식으로 50Φ의 원통형 빌렛을 제조하고, 필요한 부분만큼 절단하였다. 절단된 빌렛의 표면의 이물질은 면삭을 실시하여 제거하였다.
상기 빌렛은 압출과 절단을 통하여 10㎣ 이하의 작고 균일한 칩(Chip)으로 가공하였다.
칩(Chip)의 표면 이물질을 산 처리와 바렐을 통하여 제거한 후, 내부산화를 실시하였다. 약 750℃의 전기로에 5kg/cm2 의 산소를 가압하고 60시간 유지하여 전기접점 소재를 내부산화 시켰다. 내부 산화된 전기접점 소재의 단면을 절단하고 표면을 연마하여 현미경으로 관찰하여 모두 산화됨을 확인하였다(도 2 참조).
이후 내부산화된 전기접점 소재 표면의 이물질을 산 처리와 바렐을 통하여 제거한 후 고온 가압 성형한 후 700℃로 가열한 상태에서 압출하여 와이어(Wire) 형태의 제품을 제조하고, 1.8Φ 직경으로 인발하였다. 인발된 와이어를 전기접점 소재로 가공하여 제조하였다.
상기 내부산화된 접점 소재의 사진을 도 3에 나타내었다.
도 3를 참조하여 보면, 상기 전기접점 재료의 내부산화 후 접점소재의 최외곽을 따라 검은색 띠 형태가 생성되었음을 알 수 있었다. 이는 Ag-Sn-In 소재를 내부산화시, Sn은 SnO2로 변화되면서 흰색/회색 소재에서 검정색으로 변화하게 되는데, 모합금에서 Sn이나 In 함량이 높을수록 SnO2 산화물이 확산되어 서로 응집되는 경향이 강해져 산화물 응집현상이 발생하였음을 알 수 있었다. 이러한 산화물 응집층은 가공성(취성에 의한) 문제와 전도성 불량에 따른 아크(Arc) 등의 문제가 발생하여 성능 저하를 초래하게 된다.
[실험예 1. 전기접점 소재의 내구성 평가]
본 발명에서 제조된 전기접점 소재를 이용하여 내구성 평가를 하기와 같이 실시하였다.
보다 구체적으로, 실시예 1에서 제조된 접점 소재를 2가지 형태로 제조한 후, 기존 접점소재와 개발된 접점소재와 동일한 조건으로 평가하여 자동차용 릴레이에 사용하는 전기접점 규격에 주로 많이 사용되는 조건에 따라 수명(내구성) 시험을 실시하였다.
일례로, 시험1은 전압 전류를 수 배 증대시켜 가혹하게 시험하는 것이다. 또한 시험2는 하기 도 4와 같이 기존 접점소재와 동등한 조건 하에서 일정 횟수만큼 (예, 천회, 만회, 십만회 등) 시험한 뒤 내마모성을 평가하는 것이다. 이때 도 4는 상기 시험1과 시험2를 결합하여 진행한 것이다.
실험 결과, 기존 전기접점과 본 발명을 통하여 제조된 전기접점 규격으로 10,000회 내구성 시험을 했을 경우에 소모량이 약 18% 감소함을 확인할 수 있었다. 또한 100,000회 내구성 시험을 했을 경우 소모량이 약 52% 개선됨을 확인할 수 있었다(하기 표 1 및 도 4 참조).
전압 (V) 전류 (A) On/Off 시간(초) 부하 시험횟수 (회)
시험1 DC12 10 2/2 전자부하 10,000
시험2 DC14 97 2/2 저항부하 100,000

Claims (11)

  1. (a) 은, 주석 및 인듐을 포함하는 금속 소재를 용융 주조하는 단계;
    (b) 상기 용융 주조된 금속 소재를 빌렛으로 가공하는 단계;
    (c) 상기 빌렛을 압출 및 절단하여 소정 규격의 칩(chip)으로 가공하는 단계;
    (d) 상기 칩을 내부산화하는 단계;
    (e) 상기 내부산화된 칩을 가압성형 및 압출하여 와이어를 제조하는 단계; 및
    (f) 상기 와이어를 인발 및 가공 성형하여 전기접점을 제조하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)는 주석(Sn) 6.6~11 중량%, 인듐(In) 3.5~8 중량% 및 100 중량%를 만족시키는 잔량의 은(Ag)을 포함하는 금속 소재를 1100~1200℃에서 1~3시간 동안 용융 주조하는 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)의 금속 소재는 Ni, Te, Bi 및 C로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도펀트를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (d)는 650 내지 800℃의 전기로에서, 2~10kg/cm2의 산소를 가압한 상태로 15~100시간 동안 유지하여 내부산화하는 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계(d)의 내부산화에 의해 칩 내부에 산화물을 형성하되, 주석산화물과 인듐산화물을 포함하는 총 산화물의 함량이 당해 전기접점 소재 중량 대비 13 내지 16 중량%로 조절되는 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (e)의 가압성형은 프레스, 핫프레스(HP), 및 냉간 등방압 가압법 (CIP)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 방법을 실시하는 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (e)에서 압출공정은 600~1,000℃의 온도로 가열한 상태에서 1~5시간 동안 10~50MPa의 압력 하에서 열간압출을 실시하여 와이어를 제조하는 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (f)는 제조된 와이어를 500~800℃의 온도에서 0.5~5시간 동안 열처리를 수행한 후 인발 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (f)는 인발된 와이어를 가지고 금형에 냉간 압축하여 원하는 형태로 제조하는 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐(Ag-Sn-In) 산화물계 전기접점 소재의 제조방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 은-주석-인듐 산화물계 전기접점 소재로서,
    은(Ag) 매트릭스; 및 상기 은 매트릭스 내에 분산되는 주석산화물 및 인듐 금속산화물을 포함하되,
    상기 은 매트릭스 내에 분산되는 주석산화물 및 인듐산화물의 함량은 당해 전기접점 재료 100 중량%를 기준으로 13 내지 16 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐 산화물계 전기접점 소재.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 주석산화물 및 인듐산화물의 평균 입경은 0.5 내지 2㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 은-주석-인듐 산화물계 전기접점 소재.
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